CN115513762A - 具有压电促动功能的高重频激光谐振腔及脉冲锁定装置 - Google Patents

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CN115513762A CN202211175331.XA CN202211175331A CN115513762A CN 115513762 A CN115513762 A CN 115513762A CN 202211175331 A CN202211175331 A CN 202211175331A CN 115513762 A CN115513762 A CN 115513762A
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韦小明
梁兆恒
陈学文
杨中民
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Abstract

本发明公开了具有压电促动功能的高重频激光谐振腔及脉冲锁定装置。所述谐振腔中，堆叠型压电促动器两端分别与第一垫片和第二垫片进行第一次粘合过程，将第一有机玻璃和第二有机玻璃分别与第一垫片和第二垫片的另一面进行第二次粘合过程，构成基于堆叠型压电促动器的结合体；介质膜设置在第三插芯的端面上；增益光纤***并穿过顺次连接的第一插芯、基于堆叠型压电促动器的结合体和第二插芯；第一插芯的端面与半导体可饱和吸收镜对接，第二插芯的端面与介质膜对接。本发明克服在厘米量级谐振腔内重复频率漂移的难题。

Description

具有压电促动功能的高重频激光谐振腔及脉冲锁定装置
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种具有压电促动功能的高重频激光谐振腔及脉冲锁定装置。
背景技术
光学频率梳(以下简称“光梳”)具有脉冲宽度窄、高精度、高稳定度等优点，在光频测量、频率合成和高精确度光钟等领域起到重要的作用，尤其在天文观测与精密光谱学方面具有广泛的应用前景。早期的光梳主要基于体积庞大、结构复杂的钛宝石飞秒激光器和全固态激光器搭建而成，因而不适合应用在考虑散热、成本以及小型化等方面因素的应用场景。近年来，发展迅速的锁模光纤激光器具有结构紧凑、成本低以及灵活便携等优点，已逐渐成为构建光梳的重要组成部分，极大地缩小光梳***的空间体积，提高光梳***的整体灵活性。光梳的脉冲重复频率决定了其“梳齿”间隔，而重复频率的增加会出现更大的纵模间距，也会显著地提高探测仪器的采集率。锁模光纤激光器的高重复频率特性，使其成为研究高精确度的激光雷达和精密激光光谱等领域的有力工具，已逐渐成为光梳的重要发展方向。
高重频锁模光纤激光器在自由运转时，容易受到环境温度、湿度等外界因素的影响，尤其在激光器种子源部分的谐振腔，对粉尘、噪声和机械扰动等因素非常敏感，从而使得激光器出现重复频率的不稳定漂移。因此对于性能优异的高重频锁模光纤激光器，其重复频率的锁定尤为重要。激光器的重复频率主要与谐振腔内介质折射率和几何腔长有关。在实际应用中，相比于采用电光调制器等手段改变折射率的方法，通过控制压电促动器的伸缩量来调节谐振腔的几何腔长是实现重复频率锁定的常用方法。将激光谐振腔内的光纤粘贴在块状压电促动器表面可以实现重复频率锁定，如CN113835241A，其采用不同谐振频率的压电陶瓷实现重复频率的控制，但是基于该实验装置实现的重复频率仅为MHz量级，激光输出的重复频率受到限制，并不适用于产生GHz重复频率的超短光纤谐振腔(腔长<10cm)。此外，采用其他形式的压电促动器构建谐振腔，通常需要一个以之相匹配适应的外部结构件，以保证压电促动器的正常工作，这很大程度上影响了谐振腔的整体性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有压电促动功能高重频激光谐振腔及脉冲锁定装置，通过设计一种具有压电促动功能高重频激光谐振腔结构，利用堆叠型压电促动器的伸缩改变量对谐振腔内的光纤长度进行调控，实现GHz重复频率锁模光纤激光器的重复频率锁定，提高其运转的频率稳定性和可靠性。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
具有压电促动功能的高重频激光谐振腔，包括第一插芯、第二插芯、第一有机玻璃、第二有机玻璃、第一垫片、第二垫片、增益光纤、半导体可饱和吸收镜、介质膜、第三插芯和堆叠型压电促动器；
其中，堆叠型压电促动器两端分别与第一垫片和第二垫片进行第一次粘合过程，然后将第一有机玻璃和第二有机玻璃分别与第一垫片和第二垫片的另一面进行第二次粘合过程，构成一个基于堆叠型压电促动器的结合体；介质膜设置在第三插芯的端面上；所述增益光纤***并穿过顺次连接的第一插芯、基于堆叠型压电促动器的结合体和第二插芯；第一插芯的端面与半导体可饱和吸收镜对接，第二插芯的端面与介质膜对接。
进一步地，第一插芯、第二插芯和第三插芯的端面均需先经过抛光处理。
进一步地，所述增益光纤具有大于1dB/cm的高增益系数，以实现GHz重复频率的锁模脉冲输出。
所述半导体可饱和吸收镜在谐振腔结构中作为锁模元件，不仅具有可饱和吸收的特性，而且具有对激光的反射特性，极大地简化了谐振腔的结构。
进一步地，所述增益光纤包括掺铥石英光纤、掺镱石英光纤或铒镱共掺磷酸盐光纤。
进一步地，所述介质膜对信号光的反射率大于80％，同时对泵浦光的透过率大于80％。
进一步地，所述第一垫片和第二垫片采用绝缘材料，其表面尺寸与压电促动器相匹配。
进一步地，所述堆叠型压电促动器是由一个或多个单层圆环状的压电陶瓷堆叠而成，并在其两侧引出正负极接线，具有大于5μm的标称行程范围。
所述具有压电促动功能的高重频激光谐振腔结构为法布里-珀罗腔。
一种高重频激光脉冲锁定装置，包括泵浦源、波分复用器、隔离器、耦合器、光电探测器、锁相环反馈电路和如权利要求1-5任一项所述的具有压电促动功能的高重频激光谐振腔；
其中，泵浦源的发射波长与高重频激光谐振腔中的增益光纤的泵浦吸收波长匹配；波分复用器与高重频激光谐振腔中的第三插芯的尾纤连接；波分复用器的泵浦端与泵浦源连接，信号端与隔离器连接；隔离器与耦合器连接；耦合器的一端直接输出高重频锁模脉冲，其另一端输入到光电探测器；光电探测器将检测并转换后的信号输入到锁相环反馈电路，然后及时将误差信号反馈到高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器，通过调控高重频激光谐振腔的长度，从而实现重复频率的锁定。
进一步地，所述锁相环反馈电路与高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器的正负极接线相连接，并根据光电探测器探测转换后的电信号产生误差信号，反馈回高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器。
进一步地，高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器对锁相环反馈电路产生误差信号响应，并在平行于堆叠型压电促动器的表面方向上伸缩，从而带动高重频激光谐振腔内的增益光纤拉伸，使高重频激光谐振腔的重复频率与参考频率保持一致，实现高重频激光脉冲重复频率的锁定。
与现有的技术相比，本发明的优势在于：
本发明提供一种具有压电促动功能高重频激光谐振腔及脉冲锁定装置，针对GHz重复频率锁模光纤激光器，通过设计一种具有压电促动功能高重频激光谐振腔结构，兼备集成化、一体化的特点，既对谐振腔起到重要的保护作用，又克服在厘米量级谐振腔内重复频率漂移的难题，实现GHz重复频率稳定锁模脉冲输出。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具有压电促动功能高重频激光谐振腔结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高重频激光脉冲锁定装置结构示意图；
图3为本发明实施例提供的堆叠型压电促动器的静态响应曲线图；
图4为本发明实施例提供的堆叠型压电促动器的动态响应曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种高重频激光脉冲锁定装置重复频率锁定前后的相位噪声曲线图。
图6为本发明实施例提供的一种高重频激光脉冲锁定装置重复频率锁定前后的时间抖动曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
具有压电促动功能的高重频激光谐振腔，包括第一插芯1、第二插芯2、第一有机玻璃3、第二有机玻璃4、第一垫片5、第二垫片6、增益光纤7、半导体可饱和吸收镜8、介质膜9、第三插芯10和堆叠型压电促动器11；
其中，堆叠型压电促动器11两端分别与第一垫片5和第二垫片6进行第一次粘合过程，然后将第一有机玻璃3和第二有机玻璃4分别与第一垫片5和第二垫片6的另一面进行第二次粘合过程，构成一个基于堆叠型压电促动器的结合体；介质膜9设置在第三插芯10的端面上；所述增益光纤7***并穿过顺次连接的第一插芯1、基于堆叠型压电促动器的结合体和第二插芯2；第一插芯1的端面与半导体可饱和吸收镜8对接，第二插芯2的端面与介质膜9对接。
进一步地，第一插芯1、第二插芯2和第三插芯10的端面均需先经过抛光处理。
进一步地，所述增益光纤7具有大于1dB/cm的高增益系数，以实现GHz重复频率的锁模脉冲输出。
所述半导体可饱和吸收镜8在谐振腔结构中作为锁模元件，不仅具有可饱和吸收的特性，而且具有对激光的反射特性，极大地简化了谐振腔的结构。
进一步地，所述增益光纤7包括掺铥石英光纤、掺镱石英光纤或铒镱共掺磷酸盐光纤。
进一步地，所述介质膜9对信号光的反射率大于80％，同时对泵浦光的透过率大于80％。
进一步地，所述第一垫片5和第二垫片6采用绝缘材料，其表面尺寸与压电促动器相匹配。
进一步地，所述堆叠型压电促动器11是由一个或多个单层圆环状的压电陶瓷堆叠而成，并在其两侧引出正负极接线，具有大于5μm的标称行程范围。
所述具有压电促动功能的高重频激光谐振腔结构为法布里-珀罗腔。
为了实现重复频率大于1GHz的锁模脉冲输出，通常要求高重频激光谐振腔的长度小于10cm，尤其要求所述增益光纤7的长度要尽可能地缩小。因此所述增益光纤7需具有高增益系数，以实现GHz重复频率的锁模脉冲输出。所述增益光纤7的两端通过光纤粘合剂紧密贴合在孔径大小相匹配的所述第一插芯1和第二插芯2里面，在构建完成后需对所述第一插芯1和第二插芯2的端面进行抛光处理。
相比于采用其他形式的压电促动器如块状式构建谐振腔，本发明提供的具有压电促动功能高重频激光谐振腔结构在对光纤端面抛光处理方面更具有优势，因此提高了谐振腔的使用寿命。此外，采用其他形式的压电促动器构建谐振腔，通常需要一个以之相匹配适应的结构件，以保证压电促动器的正常工作，这很大程度上影响了谐振腔的整体性能。所述具有压电促动功能高重频激光谐振腔具有集成化、一体化的优点，非常适合应用在高重频锁模光纤激光器。
图1为本实施例的具有压电促动功能高重频激光谐振腔结构图。增益光纤采用掺铥石英光纤，其纤芯直径和包层直径分别为5.5μm和125μm。第一垫片5和第二垫片6的厚度均为1mm；第一有机玻璃3和第二有机玻璃4的长度均为0.5cm。所述堆叠型压电促动器11是由六个单层圆环状的压电陶瓷堆叠而成，其两侧引出正负极接线与锁相环反馈电路连接；所述堆叠型压电促动器11的外径为8mm，内径为4.5mm，总长为16mm。所述介质膜9的反射区间为1850nm～2050nm，对信号光的反射率大于90％；透射区间为1450nm～1650nm，对泵浦光的透过率大于95％。所述半导体可饱和吸收镜8的面积为1×1mm，其厚度为450μm，恢复时间为10ps，调制深度为12％，饱和能量为65μJ/cm2。利用此技术构成基于堆叠型压电促动器的高重频激光谐振腔，谐振腔长为3.8cm，对应的脉冲基本重复频率为2.7GHz。
将本实施例的高重频激光谐振腔应用于激光脉冲锁定装置中，泵浦源12为1570nm连续光激光器，可产生重复频率锁定的1950nm高重频锁模脉冲输出。
一种高重频激光脉冲锁定装置，如图2所示，包括泵浦源12、波分复用器13、隔离器14、耦合器15、光电探测器16、锁相环反馈电路17和如权利要求1-5任一项所述的具有压电促动功能的高重频激光谐振腔；
其中，泵浦源12的发射波长与高重频激光谐振腔中的增益光纤7的泵浦吸收波长匹配；波分复用器13与高重频激光谐振腔中的第三插芯10的尾纤连接；波分复用器13的泵浦端与泵浦源12连接，信号端与隔离器14连接；隔离器14与耦合器15连接；耦合器15的一端直接输出高重频锁模脉冲，其另一端输入到光电探测器16；光电探测器16将检测并转换后的信号输入到锁相环反馈电路17，然后及时将误差信号反馈到高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器11，通过调控高重频激光谐振腔的长度，从而实现重复频率的锁定。
进一步地，所述锁相环反馈电路17与高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器11的正负极接线相连接，并根据光电探测器16探测转换后的电信号产生误差信号，反馈回高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器11。
进一步地，高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器11对锁相环反馈电路17产生误差信号响应，并在平行于堆叠型压电促动器11的表面方向上伸缩，从而带动高重频激光谐振腔内的增益光纤7拉伸，使高重频激光谐振腔的重复频率与参考频率保持一致，实现高重频激光脉冲重复频率的锁定。
所述堆叠型压电促动器的静态响应曲线如图3所示。测量结果表明在0～5V的范围内重复频率的偏移量与电压成线性关系，可得到本实施例的堆叠型压电促动器的静态频率调谐系数为1.02kHz/V。所述堆叠型压电促动器的动态响应曲线如图4所示。测量结果表明当施加的调制频率低于1kHz时，所述堆叠型压电促动器的强度响应没有明显的变化；而当调制频率大于1kHz时，所述堆叠型压电促动器的相对强度响应逐渐减小，可得到所述堆叠型压电促动器的动态响应带宽约为1kHz。
在激光器谐振腔自由运转时，输出脉冲的重复频率存在明显的频率偏移现象；谐振腔对环境温度等外界因素的影响更为敏感，轻微的扰动会带来很大的锁模状态抖动，从而引入较大的相位噪声。本实施例的高重频激光脉冲锁定装置重复频率锁定前后的相位噪声和时间抖动曲线分别如图5、图6所示。从测量结果可以看出，当脉冲重复频率锁定后，在偏移频率为10Hz时，相位噪声从-19dBc/Hz降低到-60dBc/Hz；在10Hz到1MHz的范围内，脉冲的累积时间抖动从16.14ps降低到了0.67ps。
实施例2：
本实施例提供的具有压电促动功能高重频激光谐振腔与实施例1的谐振腔结构相同，均为典型的法布里-珀罗腔，但是使用的腔内增益光纤等材料参数有所不同。增益光纤采用掺镱石英光纤；插芯的结构参数与增益光纤的结构参数相匹配。第一垫片5和第二垫片6的厚度均为1mm；第一有机玻璃3和第二有机玻璃4的长度均为3.6cm。所述堆叠型压电促动器11是由六个单层圆环状的压电陶瓷堆叠而成，其两侧引出正负极接线与锁相环反馈电路连接；所述堆叠型压电促动器11的外径为8mm，内径为4.5mm，总长为16mm。所述介质膜9对信号光的反射率为97％，对泵浦光的透过率为96％。所述半导体可饱和吸收镜8的面积为1×1mm，其厚度为450μm，恢复时间为1ps，调制深度为5％，饱和能量为40μJ/cm2。利用此技术构成基于堆叠型压电促动器的高重频激光谐振腔，谐振腔长为10cm，对应的脉冲基本重复频率为1.06GHz。将本实施例的高重频激光谐振腔应用于激光脉冲锁定装置中，泵浦源12为976nm的激光二极管，可产生重复频率锁定的1064nm高重频锁模脉冲输出。
实施例3：
本实施例提供的具有压电促动功能高重频激光谐振腔与前面的实施例不同的是，增益光纤采用铒镱共掺磷酸盐光纤；插芯的结构参数与增益光纤的结构参数相匹配。第一垫片5和第二垫片6的厚度均为1mm；第一有机玻璃3和第二有机玻璃4的长度均为3mm。所述堆叠型压电促动器11是由一个单层圆环状的压电陶瓷堆叠而成，其两侧引出正负极接线与锁相环反馈电路连接；所述堆叠型压电促动器11的外径为8mm，内径为4.5mm，总长为3mm。所述介质膜9对信号光的反射率大于99％，对泵浦光的透过率大于99％。所述半导体可饱和吸收镜8的面积为1×1mm，其厚度为450μm，恢复时间为5ps，调制深度为4％，饱和能量为15μJ/cm2。利用此技术构成基于堆叠型压电促动器的高重频激光谐振腔，谐振腔长为2.1cm，对应的脉冲基本重复频率为4.6GHz。将本实施例的高重频激光谐振腔应用于激光脉冲锁定装置中，泵浦源12为974nm的激光二极管，可产生重复频率锁定的1565nm高重频锁模脉冲输出。
本发明利用堆叠型压电促动器的压电促动功能，构建厘米量级的高重频谐振腔。在谐振腔的整体结构中，堆叠型压电促动器、第一有机玻璃和第二有机玻璃的长度根据需要实现的脉冲重复频率决定，因此可以灵活实现重复频率>1GHz的锁模脉冲输出。此外，根据腔内增益光纤的结构参数不同，可以输出中心波长为1064nm、1565nm和1950nm等波长的高重频锁模脉冲。将具有压电促动功能高重频激光谐振腔应用于激光脉冲锁定装置中，可实现高重频激光脉冲重复频率的锁定。
本发明针对GHz重复频率锁模光纤激光器，通过设计一种具有压电促动功能高重频激光谐振腔结构，兼备集成化、一体化的特点，克服在厘米量级谐振腔内重复频率漂移的难题，实现锁模激光器重复频率的锁定，提高其运转的频率稳定性和可靠性。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有压电促动功能的高重频激光谐振腔，其特征在于，包括第一插芯(1)、第二插芯(2)、第一有机玻璃(3)、第二有机玻璃(4)、第一垫片(5)、第二垫片(6)、增益光纤(7)、半导体可饱和吸收镜(8)、介质膜(9)、第三插芯(10)和堆叠型压电促动器(11)；
其中，堆叠型压电促动器(11)两端分别与第一垫片(5)和第二垫片(6)进行第一次粘合过程，然后将第一有机玻璃(3)和第二有机玻璃(4)分别与第一垫片(5)和第二垫片(6)的另一面进行第二次粘合过程，构成一个基于堆叠型压电促动器的结合体；介质膜(9)设置在第三插芯(10)的端面上；所述增益光纤(7)***并穿过顺次连接的第一插芯(1)、基于堆叠型压电促动器的结合体和第二插芯(2)；第一插芯(1)的端面与半导体可饱和吸收镜(8)对接，第二插芯(2)的端面与介质膜(9)对接。
2.根据权利要求1所述的具有压电促动功能的高重频激光谐振腔，其特征在于，第一插芯(1)、第二插芯(2)和第三插芯(10)的端面均需先经过抛光处理。
3.根据权利要求1所述的具有压电促动功能的高重频激光谐振腔，其特征在于，所述增益光纤(7)具有大于1dB/cm的高增益系数，以实现GHz重复频率的锁模脉冲输出。
4.根据权利要求3所述的具有压电促动功能的高重频激光谐振腔，其特征在于，所述增益光纤(7)包括掺铥石英光纤、掺镱石英光纤或铒镱共掺磷酸盐光纤。
5.根据权利要求1所述的具有压电促动功能的高重频激光谐振腔，其特征在于，所述介质膜(9)对信号光的反射率大于80％，同时对泵浦光的透过率大于80％。
6.根据权利要求1所述的具有压电促动功能的高重频激光谐振腔，其特征在于，所述第一垫片(5)和第二垫片(6)采用绝缘材料，其表面尺寸与压电促动器相匹配。
7.根据权利要求1所述的具有压电促动功能的高重频激光谐振腔，其特征在于，所述堆叠型压电促动器(11)是由一个或多个单层圆环状的压电陶瓷堆叠而成，并在其两侧引出正负极接线，具有大于5μm的标称行程范围。
8.一种高重频激光脉冲锁定装置，其特征在于，包括泵浦源(12)、波分复用器(13)、隔离器(14)、耦合器(15)、光电探测器(16)、锁相环反馈电路(17)和如权利要求1-5任一项所述的具有压电促动功能的高重频激光谐振腔；
其中，泵浦源(12)的发射波长与高重频激光谐振腔中的增益光纤(7)的泵浦吸收波长匹配；波分复用器(13)与高重频激光谐振腔中的第三插芯(10)的尾纤连接；波分复用器(13)的泵浦端与泵浦源(12)连接，信号端与隔离器(14)连接；隔离器(14)与耦合器(15)连接；耦合器(15)的一端直接输出高重频锁模脉冲，其另一端输入到光电探测器(16)；光电探测器(16)将检测并转换后的信号输入到锁相环反馈电路(17)，然后及时将误差信号反馈到高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器(11)，通过调控高重频激光谐振腔的长度，从而实现重复频率的锁定。
9.根据权利要求8所述的一种高重频激光脉冲锁定装置，其特征在于，所述锁相环反馈电路(17)与高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器(11)的正负极接线相连接，并根据光电探测器(16)探测转换后的电信号产生误差信号，反馈回高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器(11)。
10.根据权利要求9所述的一种高重频激光脉冲锁定装置，其特征在于，高重频激光谐振腔中的堆叠型压电促动器(11)对锁相环反馈电路(17)产生误差信号响应，并在平行于堆叠型压电促动器(11)的表面方向上伸缩，从而带动高重频激光谐振腔内的增益光纤(7)拉伸，使高重频激光谐振腔的重复频率与参考频率保持一致，实现高重频激光脉冲重复频率的锁定。
CN202211175331.XA 2022-09-26 2022-09-26 具有压电促动功能的高重频激光谐振腔及脉冲锁定装置 Pending CN115513762A (zh)

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